Quantenregen: Forscher beobachten seltsames Tröpfchen-Phänomen

Bizarre Entdeckung: In einer ultrakalten Quantenflüssigkeit bilden sich spontan winzige Tröpfchen – fast wie Regen, nur ganz anders.

Die Quantenwelt ist voller Überraschungen und Phänomene, die unserer Alltagserfahrung widersprechen. Nun haben Physiker in einem Experiment beobachtet, wie sich eine ultrakalte Quantenflüssigkeit in einen regelrechten "Regen" aus winzigen Tröpfchen aufspaltet – ein Verhalten, das Parallelen zu ganz normalen Flüssigkeiten aufweist und doch gänzlich anders abläuft.

Quantenflüssigkeit zerfällt in Tröpfchen-Regen

Ein Team von Forschern des italienischen Nationalen Forschungsrats (CNR-INO), der Universität Florenz und des Europäischen Labors für Nichtlineare Spektroskopie (LENS) hat das bizarre Verhalten in einer Mischung aus Kalium- und Rubidiumatomen beobachtet, die auf extrem tiefe Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde.

Unter diesen extremen Bedingungen verlieren die Atome ihre Individualität und verschmelzen zu einer Art Quantenflüssigkeit. Die Forscher konnten jetzt erstmals beobachten, wie sich in dieser Flüssigkeit spontan winzige Tröpfchen bildeten – ein Phänomen, das sie als "Quantenregen" bezeichnen.

Luca Cavicchioli, Erstautor der Studie und Forscher am CNR-INO, erklärt die Bedeutung der Entdeckung: "Unsere Messungen tragen nicht nur zum Verständnis dieser exotischen Flüssigkeitsphase bei, sondern zeigen auch die Möglichkeit, Quanten-Tropfen-Arrays für zukünftige Anwendungen in der Quantentechnologie zu erzeugen."

Ähnlich wie Wassertropfen – und doch ganz anders

Interessanterweise ähnelt der beobachtete "Quantenregen" in gewisser Weise dem Verhalten normaler Flüssigkeiten wie Wasser. Auch dort führt die Oberflächenspannung dazu, dass sich größere Tropfen bilden, um die Grenzfläche zu minimieren – ein Phänomen, das als Plateau-Rayleigh-Instabilität bekannt ist und auch die Form von Regentropfen bestimmt.

Doch während bei Wasser die Spannung durch die Ladungsunterschiede zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen entsteht, sind im Quantengas ganz andere Kräfte am Werk: Hier sorgen Quanteneffekte dafür, dass die Atome miteinander wechselwirken und die Tröpfchen stabilisieren.

"Durch die Kombination von Experimenten mit numerischen Simulationen konnten wir die Aufbrechungsdynamik eines Quantentropfens anhand der Kapillarinstabilität beschreiben", sagt Chiara Fort von der Universität Florenz, eine der Mitautorinnen. "Die Plateau-Rayleigh-Instabilität ist ein häufiges Phänomen in klassischen Flüssigkeiten, das auch in superfluidem Helium beobachtet wurde, jedoch bislang nicht in atomaren Gasen."